才能形成持续反应

2021-02-13 15:29

事实上,与全球规模最大的能源合作项目——国际热核聚变实验堆计划(iter)相比,east只有其1/4大小。但麻雀虽小,五脏俱全,east的成功经验已经支撑了iter的建设。如研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线,使iter制冷电耗每年减少2/3以上;证明iter磁体电源设计方案存在的风险,并设计出新方案。

因为托卡马克产生磁场线圈是用常规的铜线做的,消耗了大量的能量,采用超导技术就比较容易得到聚变能量。在托卡马克的基础上,中科院等离子体所科研人员仅用10年时间,就自主设计和建造出世界上首个全超导托卡马克装置east。

一个一百万千瓦电站需要50万吨煤,核电站需要30吨核燃料。同样级别热核聚变电站仅需要100公斤重水和锂。相比于目前的核电站,热核聚变是非常安全的,因为聚变的产物只是氦气。资源是无限的,同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源。

我们是以技术和质量取胜。中国人‘卖白菜’的历史一定会尽快地结束!”宋云涛说。

“传导、对流和辐射造成能量的损失,为了最小的辐射损失,就得全部用真空。我们用五层真空,做成最大的‘保温杯’,实现了一亿摄氏度和零下269摄氏度‘冰火两重天’的结合。”宋云涛告诉记者,要获得更长放电时间,几乎所有的技术都要用到当今世界技术的极致。

“从设计到建设,都是我们自己做的,整个项目的国产化率达到90%以上,自研率在70%以上,同时还取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。”宋云涛告诉科技日报记者,east主要用来探索实现聚变能源的工程、物理问题,为未来能源发展提供新思路。“现在,科研人员正在对east进行全方位的升级改造,为新一轮物理实验做准备。”

50年来,人类渴望在地球上实现太阳内部核聚变的模拟,期望能够把惊人的能量稳定地输送给电站。托卡马克是人们未来得以实现“完美能源”这一畅想的化身。

“我们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验。其他国家都做到几秒钟,我们在这个装置上面做到了1000万摄氏度持续60秒放电”,宋云涛告诉记者,热核聚变会产生上亿摄氏度高温的等离子体,比太阳中心部的温度还要高五六倍!它跟周边的材料是强相互作用,需要控制得非常精确,精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下,“否则的话,只要一偏心,碰什么烧什么。”

“东方超环”east作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置,集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空等多项极限。

“托卡马克最早是苏联人的发明”,中科院等离子所副所长宋云涛告诉科技日报记者,上世纪90年代初,我国用400万人民币的生活物资,向前苏联换来了当时价值1800万卢布的托卡马克装置。

“目前,中国在iter七方采购包进度中已成为第一位。在核聚变领域,中国人再也不是可有可无的‘小角色’。”宋云涛自豪地说。

要让核聚变为人类所利用,就意味着要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应。而这正是“东方超环”east的使命。上亿摄氏度和零下269摄氏度,每一个极限都是科研领域的高、精、尖难题,开拓创新就意味着挑战极限。

怎么才能实现“人造太阳”?科学家想了一个办法,就是把一团上亿摄氏度的等离子体火球,用磁场把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以对它加热、控制,进而实现“人造太阳”。

iter很多部件都代表着高附加值,是国际竞争的热点。“这个线圈重396吨,比east所有的线圈加起来还大。我们的价格比日本的还高100万元人民币,

然而,在east建立之前,这项技术尚未诞生。“之前我国的超导线总共加起来才有26公斤,而现在除了供给iter每年所需的150吨预定以外,产量还绰绰有余。”宋云涛说。

这些超导线可谓east和iter的“生命线”。因为地球上再耐热的材料也会被核心区1亿摄氏度的聚变反应烧化,而要让反应产生的等离子体和装置内壁保持一定的距离,就离不开这些超导线。“它们每秒可以通过6万安培的电流,产生10万高斯的磁场,形成一个强大的‘电磁笼’,把等离子体悬浮起来。”宋云涛解释说。

在基础科研创新的同时,east也带动着我国核聚变相关高科技加工业的发展。

加工的难度在于材料。要控制上亿摄氏度的等离子体,第一层屏蔽层重量就达8000吨。在等离子体所超导导体生产大厅中,宋云涛指着堆叠了两人多高的环形导体告诉记者:“这些导体每一根价值都在3000万元人民币以上。”这些外表看起来再普通不过的导管,却内藏乾坤:每根线管里都是1000根头发丝一样细的导线拧成的超导电缆。